Periyodik Cetvelin Şifresini Kırmak – Maddenin Hikayesi Bölüm 3

Bu yazı, 13 Şubat 2022 tarihinde yayımlanan Bebar Bilim videosunun metninden uyarlanmıştır. Güncel gelişmeler içeren değerlendirmeler özgün yayın tarihinin bağlamındadır.

Humphry Davy’nin Kırsaldan Kraliyet Enstitüsüne uzanan hikayesinden bahsetmiştik. Hatırlarsanız bir element avı söz konusuydu ve Humphry Davy ile birlikte birçok isim doğadaki elementleri avlıyor, her gün yeni bir element karşımıza çıkıyordu. Ama videonun sonunda çok önemli bir yerde bırakmıştık. Humphry Davy’nin o devrimsel içgüdüsünde. Volta’nın bataryası ile hız kazanan element avında Davy tüm elementlerin özünde, moleküllerin yapısında “elektriğin” varlığından şüphelenmişti. Maddeyi bir arada tutan bir yapışkan gibi diye tasvir etmişti kendince. İşte hiç de haksız olmadığı daha sonra ortaya çıkacaktı. 1800’lerin sonundan bahsediyoruz.

Herkes elektrikle oynuyor, deneyler yapıyordu. Bir metale elektrik verdiğinizde bu parça bir nevi parlamaya başlıyor, bu deneyleri izleyenler bundan büyüleniyordu. 1897 yılında ise Cambridge Üniversitesinden bir isim metalden çıkan bu gizemli ışığı araştırmaya koyulacaktı. Tanıdık bir isim. J. J. Thomson… Thomson metalden çıkan ışığı yansıtan bir tüpü almış ve bu tüpe bir mıknatıs yaklaştırmıştı. Ve bir anlamda gözlerine inanamamıştı. Çünkü mıknatıs çıkan ışığın yönünü değiştiriyordu. Belli ki elektrik denen şey o kadar da dokunulmaz değildi. Parçacıklardan oluşuyor olmalıydı. Ve bu parçacıklar negatif yüklü olmalıydı.

Daha sonra bu parçacıklara “elektron” diyeceklerdi. Ama elektron sadece elektriğin bir parçası değildi. Thomson şunu da fark etmişti. Işık üretmek için ne kadar farklı metal kullanırsa kullansın sonuç her zaman aynıydı. Elektron her tür maddede aynı formdaydı. Thomson da şu cesur çıkarımı yapmıştı. Elektron dediğimiz şey tüm maddelerde, evrenin her yerinde aynı ve sabit bir şeydi. Atom denen parçacığın yanında çok çok küçük bir parçacık… Atomun bölünemez olduğu fikri de artık yavaş yavaş rafa kalkıyordu anlayacağınız. Haliyle atomun derinliklerine doğru yolculuk başlamıştı artık.

Hangi parçalardan oluşuyordu, bunlar nasıl birbirlerine tutunuyordu… Birçok önemli dehanın da dikkatini çekmişti bu yarış. Bunlardan biri de İngiltere’nin bilim alanındaki en önemli ailelerinden birinin 22 yaşındaki oğluydu. Hnery Jeffreys Moseley… Türkiye’de, topraklarımızda çok acı bir şekilde son bulacak bir hikayenin baş kahramanı. Faraday ya da Davy’nin aksine o şanslı doğanlardan. Büyük babaları Royal Society’nin üyeleriydi. Babası Oxford Üniversitesinde profesördü. Ancak babası o üç yaşındayken ölmüş, annesi Amabel ile büyümüştü.

Yine de kanındaki bilim aşkı yanmaya devam etmiş ve ilk olarak Trinity College’da fizik okumuş ve sonrasında da akademide kalmıştı. Ve ne büyük şans ki çalışmalarına devam etmek için gittiği Manchester’da hayatını değiştirecek o ismin asistanı olma şansına ulaşmıştı. Dönemin en parlak fizikçilerinden, Yeni Zelandalı Ernest Rutherford… Rutherford, Marie ve Pierre Curie radyoaktivite ile ilgili çalışmalarını yayımlar yayımlamaz hemen kendini bu alanda çalışmaya adamış ve çok geçmeden radyoaktif atomların bozunurken farklı ışınlar ve parçacıklar saldığı bulgusu ile Nobel Fizik Ödülünü kazanmıştı bile.

Bu yönünün yanında çok da iyi bir öğretmendi Rutherford. Moseley genç yaşında yanında çalışmaya başladığında onu da hemen radyoaktivite çalışmalarına yardımcı olması için görevlendirmişti. Ve tüm süreçlerde öğrencilerinin sürekli yanındaydı. Onların eksiklerini görüyor, doğru şekilde yönlendiriyor, nereye bakmaları gerektiğini büyük bir sabırla anlatıyordu. Öğrencileri ona “baba” lakabını takmışlardı hatta.

Ama Moseley yalnız değildi. Rutherford bakın nasıl bir ekip kurmuştu. Ekibinde Hans Geiger, Charles Darwin ve James Chadwick gibi her biri alanında devrim yaratacak isimler vardı. Çalışma ortamını bir hayal etmenizi istiyorum. Yenilmezler gibi bir gruptu Rutherford’un ekibi. Ve hepsi en temel sorunun çevresinde yılmadan çalışıyordu: “Maddenin doğası nedir?”… Bu amaçla atomun derinlerine inen bu ekip sonunda Moseley geldikten birkaç ay sonra en büyük keşiflerinden birini gerçekleştirecekti.

J. J. Thomson’ın negatif yüklü garip parçacığının puzzle’ın önemli bir parçası olduğunu biliyorlardı. Fakat önlerinde cevaplanması gereken iki büyük soru da duruyordu. Atomların genel anlamda nötr olduğunu biliyorlardı ancak elektronun keşfi ile ortaya çıkan negatif yükü dengeleyecek bir şey olmalıydı. Ama nerede? Diğer bir soru da. Elektronun atomla karşılaştırıldığında çok daha az kütleli olduğu açıktı ama kütle nasıl dağılmıştı? Ve bu soruların cevabı ünlü Altın Levha Deneyi sayesinde bulunacaktı.

Ekip bu deneyde radyumun radyoaktif bozunması sırasında ortaya çıkan pozitif yüklü alfa parçacıkları kullanıyor ve bu parçacıkları çok çok ince, altından yapılmış bir folyoya fırlatıyorlardı. Çoğu kez bu parçacıklar sanki levha yokmuş gibi geçip gidiyordu. Ama bazen. Çok çok nadir de olsa parçacıklar duvara çarpmış gibi geri dönüyorlardı. İşte bu garipti. Bayağı garip. Rutherford bunun neden garip olduğunu şöyle ifade etmişti: “Bir peçeteye bir silahla mermi attığınızı düşünün. Ne beklersiniz? Peçeteyi parçalayıp geçmesini. Ama burada mermi peçeteden sekip geri dönüyor gibiydi…”

Rutherford bunun üzerine çok düşünmüş ve 1910 yılında bir gün laboratuvara gelip bunun ne anlama geldiğini bildiğini söylemişti. Atom çok büyük oranda boşluktan oluşuyordu ancak merkezinde aşırı yoğun bir şey olmalıydı. Gönderilen parçacıklar çoğunlukla büyük boşluktan geçip gidiyor ama atomun merkezine yaklaşan parçacıklar bu çok yoğun bölgeden sekiyorlardı. Biz bunu bugün “atom çekirdeği” olarak biliyoruz.

Artık atom yavaş yavaş çözülüyordu. Önümüzde maddenin yapısına dair yepyeni bir resim vardı. Atomun aslında tüm yapısı, kütlesinin çoğunluğu bu merkezindeki çekirdekteydi ve çevresinde de belirli sınırları olmayan elektronlar dönüp duruyordu. Aslında en garip çıkarımlardan biri şuydu: Atom dediğimiz şey büyük oranda boşluktu. Tabi Manchester’daki Yenilmezlerin laboratuvarındaki heyecanı da bir düşünün. Rutherford ve ekibi maddenin yapısına yepyeni bir pencere açmışlardı. Ama tabi bizim Moseley’i unutmayalım. Tüm bunlar olurken bizim genç Moseley ise bir taraftan radyoaktivite ile deneyler yapmaya devam ediyordu.

Biraz sıkılmıştı. Başkalarının söylediği pek de bir yere varmayan deneyleri tekrar tekrar yapmaktan belki de. Biraz da kendini kanıtlama içgüsünün baskın olmasından. Ve fırsatı da biraz şansla yakalayacaktı. 1912 yılında laboratuvardaki radyoaktivite ekipmanları bozulmuş ve bir süreliğine başka çalışmalara odaklanma fırsatı yakalamıştı. Tam da bu sıralarda 15 yıl kadar önce keşfedilen X ışınları ile ilgili yepyeni bir keşif ortalığı kasıp kavuruyordu. Almanya’da yapılan bir çalışmada X ışınlarının da ışıkla benzer özellikler taşıdığı söyleniyordu.

Yani. Newton’dan beri biliyorsunuz bir prizmanın ışığı her birinin dalgaboyu ya da frekansı farklı renklere ayırdığı biliniyordu. Görünüşe göre X ışınları da bir kristal yardımı ile aynı şekilde dağılabiliyordu… Fakat ortaya bir gökkuşağı değil de bir fotoğraf levhasında noktalardan oluşan simetrik bir desen çıkıyordu… Neler oluyordu peki? Moseley hemen Charles Darwin’e gidip bu konuda çalışmayı teklif etti. Garip değil mi? Darwin’i bu tip çalışmalarda pek hayal etmiyoruz. Fakat Darwin aslında çok iyi bir matematikçiydi. Ve burada olup biteni kompleks matematikle ifade edebilecek bir tek o vardı.

Tabi önce Rutherford’dan tüm zamanlarını bu çalışmaya adamak için izin istediler. Rutherford önce bu alanla ilgili ekipmanları ve uzmanlıklarının olmadığını söyleyerek reddetse de iki gencin bu konuda çok istekli olduklarını görünce kendisini sürekli bilgilendirmeleri ve dikkatli olmaları şartıyla izin verdi. Ve ne kadar istekli olduklarını da anlayacaktı. Önce Darwin bir mektubunda şöyle demişti: Moseley’le çalışmak hayatımın en yorucu işlerinden biri. Tartışmasız hayatımda gördüğüm en çalışkan insan kendisi… Öyle ki Rutherford’da sabahları laboratuvara gittiğinde Moseley’nin daha yeni çıktığını görüyordu. Bazen 20 saat aralıksız çalışıyordu.

Hikayesine baktığımızda “ailesi bilim dünyasından geliyor, o yüzden şanslı” diyoruz ama çalışmanın önemini, hiçbir elle tutulur başarının sadece “şans” ile açıklanamayacağını da gösteriyor Moseley’nin hikayesi bize. Acı bir şekilde de sonlanacak bir hikaye. Ancak önce Moseley’nin bıraktığı ize bakalım. Charles Darwin bir noktadan sonra kendi çalışmalarına odaklanmak için Moseley’den özür dileyerek ve ona şans dileyerek bu ortaklıktan ayrıldı ancak Moseley gece gündüz çalışmaya devam etti. Temel olarak yaptığı şuydu.

O zamana kadar keşfedilen elementler Periyodik Cetvel olarak bildiğimiz tabloda toplanıyordu. Ancak bu tabloda büyük bir sorun vardı. Elementler bir anlamda sadece atom ağırlığına göre düzenlenmişti. Fakat özellikle ünlü kobalt ve nikel örneğinde olduğu gibi bazı elementlerde atomların fiziksel özellikleri ağır olanın hafif olandan önce gelmesi gerektiğini gösteriyordu. Bu anomali kafaları çok karıştırıyordu.

Ama işte Moseley X ışınlarıyla keşfedilen tüm elementler üzerinde deneyler yaparak bu sorunu çözmek istiyordu. Tamamen kendi tasarladığı deney düzeneği ile bulabildiği tüm elementlere elektron gönderiyor ve elementlerden yayılan ve bir kristalden geçen x ışınlarının bir tür film üzerindeki desenlerini inceliyordu. Bir noktada çok ilginç bir desen gözüne çarpmaya başladı. Burada film üzerinde elementlerin x ışını spektrumunu net bir şekilde görebiliyordu. Her elementin kendine özgü bir x ışını spektrumu vardı. Ve her birini frekanslarına göre bildiğiniz üst üste koyduğunda çok çok basit bir düzen duruyordu karşısında.

Buna biz Moseley’nin Merdiveni diyoruz bugün. Bu inanılmaz bir bulguydu. Neden biliyor musunuz? Öncelikle olayın atom ağırlığı ile ilgili olmadığı artık çok açıktı. Elementler çok daha basit bir şeye göre düzenleniyordu. Öncesinde atom çekirdeğinde olduğunu bilmediğimiz bir şey. Protonlar. Proton sayıları. Ki bugün de elementler periyodik cetvelde bu düzende bulunur. Ama daha da önemlisi bu bulguyu bir puzzle gibi düşünün. Mevcut spektruma göre elinizdeki elementleri yerine koyduğunuzda karşınızda boşluklar duruyordu. O boşluklar ne anlama geliyordu? Keşfedilmemiş elementler! Daha da çılgını neydi peki?

Tüm spektrum karşısındaydı… Yani kaç tane element olabileceğini de söyleyebiliyordunuz. Doğanın reçetesi karşısındaydı… Moseley artık dönemin en parlak dehaları arasına girmişti. Ta ki… Evet. Yıl 1915. Birinci dünya savaşı patlak veriyor ve Moseley de orduya çağırılıyor… Ve son görev yeri de Türkiye oluyor. Gelibolu’ya düşüyor yolu. Annesiyle mektuplarında Türkiye’nin çok güzel bir yer olduğundan bahsediyor. Çok sıkıldığını, neden burada olduğunu anlamadığını söylüyor.

3 Ağustos 1915’te annesine gönderdiği reçel için çok teşekkür ettiği mektubundan bir hafta sonra ise laboratuvarda deneyler yapması gereken, daha yapacak çok keşfi olan, anlamadığı bir savaşa gönderilen Moseley, 27 yaşında hayatını kaybediyor. Bu tüm bilim dünyası için o zaman gerçekten yıkıcı bir etki yaratmıştı. En sert tepkiyi ise Rutherford vermişti. Ülkesi için, insanlık için çok daha yararlı işler yapabilecekken anlamsız bir savaşa gönderildi. Başka bir fizikçi Robert Millikan ise daha sonra şunları söylemişti… Bu savaş sadece bu gencin hayatına mal olduğu için bile tarihteki en korkunç suçlardan biridir bana göre.

Bıraktığı miras ise yaşamaya devam etti. 1945 yılına kadar Moseley’nin Merdivenindeki tüm boşluklar tam da onun tahmin ettiği gibi doldurulacaktı. Daha sonra keşfedilen elementlerin spektrumu tam da onun tahmin ettiği gibiydi… Muhteşem bir hikaye Moseley’nin hikayesi. Bir o kadar da acı. En azından onun hikayesini hatırlayarak savaşların, katliamların sebep olduğu sonuçları sayılardan çok daha fazlası olarak görebiliriz. Yitirilen her bir yaşamın aslında tüm insanlığa karşı işlenen bir suç olduğunu unutmadan… Hikayemiz devam edecek bu arada. Takipte kalmayı unutmayın.